12 zukunftsweisende Elektronik-Technologien, die unser Morgen verändern werden

Wie der Name bereits andeutet, sind aufstrebende Technologien jene, deren Entwicklung und praktische Anwendung noch weitgehend unrealisiert ist. Sie stehen für fortschrittliche Entwicklungen in verschiedensten Bereichen – von Robotik und künstlicher Intelligenz bis hin zu Kognitionswissenschaft und Nanotechnologie.

Der Bereich der Elektronik spielt dabei eine entscheidende Rolle bei der Signalverarbeitung, Informationsverarbeitung und Telekommunikation. Er befasst sich mit elektrischen Schaltungen, die Komponenten wie Sensoren, Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise umfassen. Vereinfacht ausgedrückt deckt er komplexe elektronische Instrumente und Systeme ab, wie sie in modernen Laptops und Smartphones zum Einsatz kommen.

Der erste Transistor wurde 1947 erfunden. Seitdem haben wir einen gewaltigen Entwicklungssprung gemacht: Allein das heutige Smartphone enthält mehr als eine Milliarde Transistoren.

Das ist erst der Anfang. Viele revolutionäre Geräte warten noch auf ihre Erfindung. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, was die Zukunft im Bereich der Elektronik bereithalten könnte.

12. Digitale Dufttechnologie

Aroma-Shooter, vorgestellt auf der CEATEC 2016

Im Bereich der olfaktorischen Technologie wird intensiv geforscht. Sie ermöglicht Geräten – sogenannten „elektronischen Nasen“ – Düfte zu erfassen, zu übertragen und duftfähige Medien wie Audio, Video und Webseiten wiederzugeben.

Das erste Duftfreisetzungssystem namens „Smell-O-Vision“ wurde Ende der 1950er-Jahre erfunden. Es konnte während einer Filmvorführung Geruchsstoffe ausstoßen, um das Zuschauererlebnis zu intensivieren.

Seither haben diverse Forschungseinrichtungen ähnliche Geräte entwickelt. Eines davon war „iSmell“, das 1999 entstand. Es bestand aus einer Patrone mit 128 Grunddüften, aus denen sich diverse Mischungen erzeugen ließen. Aufgrund gewisser Limitationen kam das Produkt jedoch nie auf den Markt.

Auf der CEATEC 2016 stellte ein Unternehmen ein tragbares Duftgerät vor, das sich per Smartphone und PC steuern lässt. Noch immer gilt es Hürden zu überwinden – etwa das Timing und die Verteilung der Düfte sowie mögliche Gesundheitsrisiken synthetischer Geruchsstoffe.

11. Thermischer Copper-Pillar-Bump

Elektrische und thermische Bumps auf einem gemeinsamen Substrat integriert

Der thermische Copper-Pillar-Bump ist ein mikrogroßes thermoelektrisches Bauelement, das für das Gehäuse von Elektronik und Optoelektronik eingesetzt wird – beispielsweise bei Laserdioden, Halbleiter-Optischen Verstärkern, CPUs und GPUs.

Nextreme Thermal Solutions entwickelte diese Technologie, um aktives Thermomanagement auf Chipebene zu integrieren. Heute nutzen Technologieriesen wie Intel und Amkor das Verfahren, um Mikroprozessoren und andere High-End-Chips mit verschiedenen Oberflächen zu verbinden.

Wenn Strom durch eine Leiterplatte fließt, entzieht der thermische Bump die Wärme und leitet sie zum gegenüberliegenden Bump weiter. Dieser Prozess basiert auf dem Peltier-Effekt und erklärt, wie ein thermischer Bump die Wärme in elektronischen Schaltungen reduziert.

Er fungiert als Festkörper-Wärmepumpe und fügt der Chip-Oberfläche Thermomanagement-Funktionalität hinzu. Heutige thermische Bumps sind etwa 20 µm hoch und 238 µm breit (Durchmesser). Die nächste Generation wird die Höhe auf 10 µm reduzieren.

10. Molybdändisulfid (MoS₂)

Molybdändisulfid (MoS₂)

Molybdändisulfid ist eine anorganische Verbindung, die in der Elektronik aufgrund ihrer geringen Reibung und Robustheit häufig als Trockenschmierstoff eingesetzt wird. Wie Silizium ist es ein diamagnetischer, indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von 1,23 eV.

Als Trockenschmierstoff kommt Molybdändisulfid mit Partikelgrößen von 1 bis 100 Mikrometern zum Einsatz. Es wird unter anderem bei der Herstellung effizienter Transistoren, Photodetektoren, Zweitaktmotoren und Universalgelenke verwendet.

2017 diente zweidimensionales Molybdändisulfid zum Bau eines 1-Bit-Mikroprozessors mit 115 Transistoren. Auch 3-Terminal-Memtransistoren wurden damit realisiert. In den kommenden Jahren könnte diese Verbindung das Rückgrat verschiedenster elektronischer Geräte bilden.

9. E-Textiles (Smart Clothing)

Elektronische Textilien – auch Smart Clothing genannt – sind Stoffe, in die digitale Komponenten und Elektronik eingebettet sind, um dem Träger Mehrwert zu bieten. Weitere Anwendungsfelder, die auf der Integration von Elektronik in Textilien basieren, finden sich im Interior-Design.

Diese Technologie gilt als revolutionär, da sie Dinge ermöglicht, die herkömmliche Stoffe nicht leisten können: Energie leiten, kommunizieren, sich verändern und sogar wachsen.

Zukünftige Anwendungen smarter Kleidung könnten Gesundheitsmonitoring, die Ortung von Soldaten und die Überwachung von Piloten umfassen. Persönliche, tragbare physiologische Überwachung, Kommunikation, Heizung und Beleuchtung würden allesamt von dieser Technologie profitieren.

8. Spintronik

Spintronik (oder Spinelektronik) befasst sich mit dem intrinsischen Spin des Elektrons und seinem zugehörigen magnetischen Moment in der Festkörperphysik. Sie unterscheidet sich grundlegend von konventioneller Elektronik: Neben dem Ladungszustand werden Elektronenspins genutzt, um den Freiheitsgrad zu erhöhen.

Spintronische Systeme eignen sich zur effizienten Speicherung und Übertragung von Daten. Besonders interessant sind sie für neuromorphes Computing und Quantencomputing.

Die Technologie findet bereits in der Medizin Anwendung (Krebserkennung) und verspricht großes Potenzial für die digitale Elektronik.

7. Nanoelektromechanische Systeme (NEMS)

Elektronenmikroskop-Aufnahme eines in einkristallinem Silizium gefertigten NEMS | Credit: H. G. Craighead

Nanoelektromechanische Systeme verbinden nanoelektronische Elemente mit mechanischen Maschinen zu physikalischen und chemischen Sensoren. Sie bilden den logischen nächsten Miniaturisierungsschritt nach den sogenannten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS).

Sie besitzen außergewöhnliche Eigenschaften, die den Weg für diverse Anwendungen ebnen – von Ultrahochfrequenz-Resonatoren bis hin zu chemischen und biologischen Sensoren. Hier sind einige entscheidende Attribute von NEMS:

• Grundfrequenzen im Mikrowellenbereich
• Aktive Masse im Femtogramm-Bereich
• Massensensitivität bis in den Attogramm- und Sub-Attogramm-Bereich
• Kraftsensitivität auf Attonewton-Niveau
• Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 10 aW
• Extrem hohe Integrationsdichte: bis zu einer Billion Elementen pro Quadratzentimeter

Weiterlesen: NEMS – Nanoelektromechanische Systeme | Einfacher Überblick

6. Molekularelektronik

Illustration eines Einzelmolekül-Bauelements

Wie der Name andeutet, nutzt die Molekularelektronik Moleküle als primäre Bausteine für elektronische Schaltungen. Es handelt sich um ein interdisziplinäres Feld, das Materialwissenschaft, Chemie und Physik vereint.

Diese Technologie ermöglicht die Entwicklung deutlich kleinerer elektronischer Schaltungen (im Nanomaßstab), als es mit herkömmlichen Halbleitern wie Silizium derzeit möglich ist. In solchen Bauelementen wird die Elektronenbewegung durch Quantenmechanik bestimmt.

Zwar sind komplette Schaltungen, die ausschließlich aus molekulargroßen Elementen bestehen, noch in weiter Ferne, doch der wachsende Bedarf an Rechenleistung und die Grenzen heutiger Lithografie-Verfahren machen den Übergang unausweichlich.

Wissenschaftler arbeiten derzeit an Molekülen mit faszinierenden Eigenschaften, um reproduzierbare und zuverlässige Kontakte zwischen den molekularen Segmenten und dem Elektroden-Massenmaterial zu erzielen.

5. Elektronische Nase

Eine elektronische Nase identifiziert bestimmte Bestandteile eines Geruchs und analysiert dessen chemische Zusammensetzung. Sie verfügt über einen Mechanismus zur chemischen Detektion, darunter ein Array elektronischer Sensoren und KI-Werkzeuge zur Mustererkennung.

Solche Geräte gibt es seit über zwei Jahrzehnten, waren jedoch typischerweise teuer und sperrig. Forscher streben an, sie kostengünstiger, kleiner und empfindlicher zu machen.

Elektronische-Nasen-Instrumente werden von Forschungseinrichtungen, Produktionsabteilungen und Qualitätskontrolllaboren für vielfältige Zwecke eingesetzt: Erkennung von Kontamination, Verderb und Verfälschung. Auch in der medizinischen Diagnostik sowie bei der Detektion von Gaslecks und Schadstoffen zum Umweltschutz kommen sie zum Einsatz.

Weiterlesen: Leistungsstärkstes Biosensor-System aus Kupfer und Graphenoxid gebaut

4. 3D-Biometrie

Der Einsatz biometrischer Informationen nimmt stetig zu – insbesondere in Bereichen wie Banking, Forensik und öffentlicher Sicherheit. Die meisten biometrischen Erkennungsverfahren nutzen zweidimensionale Bilder.

In den vergangenen Jahren wurden jedoch fortschrittliche biometrische Techniken entwickelt. Dazu zählen 3D-Fingerabdruck, 3D-Handflächenabdruck, 3D-Ohr- und 3D-Gesichtserkennung.

Ob für Mensch-Computer-Interaktion oder erhöhte Sicherheit – robuste Biometrie wird breit Anwendung finden.

3. Elektronische Haut und Zunge

Ein Wein verkostende elektronische Zunge | Credit: Kenny McMahon / Washington State University

Dehnbare, flexible und selbstheilende Materialien, die die Eigenschaften tierischer oder menschlicher Haut nachahmen, werden als elektronische Haut bezeichnet. Es existiert eine breite Palette an Materialien, die auf Druck- und Wärmeänderungen reagieren und Informationen über physikalische Interaktion messen können.

Diese Materialien eröffnen neue Wege für Anwendungen wie Prothesen, Soft Robotics, Gesundheitsmonitoring und künstliche Intelligenz. Zukünftige Designs elektronischer Haut werden Materialien mit hoher mechanischer Festigkeit, verbesserter Sensorik, Recyclingfähigkeit und Selbstheilungseigenschaften umfassen.

Eine elektronische Zunge hingegen misst und vergleicht Geschmacksrichtungen. Sie enthält multiple Sensoren, die jeweils unterschiedliche Reaktionsspektren aufweisen und organische sowie anorganische Verbindungen detektieren können.

Elektronische Zungen finden Anwendung in diversen Bereichen – von der Lebensmittel- und Getränkeindustrie bis hin zur Pharmaindustrie. Sie werden auch zum Benchmarking von Zielprodukten und zur Überwachung von Umgebungsparametern genutzt.

Weiterlesen: 14 ungewöhnliche Anwendungen der Nanotechnologie | Nutzen und Anwendungen

2. Memristor

Das Konzept der Memristoren wurde 1971 vom US-Elektroingenieur Leon Chua eingeführt. Er leitete die Möglichkeit eines weiteren nichtlinearen Schaltungselements ab, das magnetischen Fluss und Ladung verknüpft.

Jede elektronische Schaltung besteht aus passiven Bauelementen wie Spulen, Kondensatoren und Widerständen. Ein viertes Element ist der Memristor – ein Halbleiter, der zur Erstellung energiesparender Speicherbauelemente dient.

Ein Memristor regelt den Stromfluss in einer Schaltung und „erinnert“ sich an die zuvor hindurchgeflossene Ladungsmenge. Memristoren sind nicht-flüchtige Bauelemente mit sehr hoher Speicherkapazität und Geschwindigkeit.

Memristor-Patente umfassen Anwendungen in Signalverarbeitung, Brain-Computer-Interfaces, rekonfigurierbarem Computing, programmierbarer Logik und neuronalen Netzen. In Zukunft könnten diese Bauelemente digitale Logik ausführen und NAND-Gatter ersetzen.

1. Flexible Displays

Royole: Ultradünnes flexibles Display | Bildquelle: Paul Sawers / VentureBeat

Viele Consumer-Electronics-Hersteller zeigen großes Interesse an flexiblen Displays: Sie arbeiten daran, diese Technologie in Smartphones und Tablets zu integrieren.

OLEDs auf flexiblem Substrat (Metall, Kunststoff oder Glas) zählen zu den vielversprechendsten elektronischen Bildschirmen, die sich biegen lassen. Die in flexiblen OLEDs verwendeten Metall- und Glasplatten sind extrem dünn, leicht, langlebig und praktisch bruchsicher.

Auf der CES 2018 präsentierte LG den Prototyp eines 65-Zoll-4K-OLED-Displays, das sich aufrollen lässt. Per Knopfdruck entfaltet sich der Fernseher und fährt bei Nichtgebrauch wieder ein.

Im September 2019 brachte Samsung ein neues faltbares Smartphone auf den Markt, das sowohl als Tablet als auch als Smartphone genutzt werden kann.

Weiterlesen: 9 Gesetze der Technologie, die die Welt veränderten

Die aktuelle Generation faltbarer Geräte weist noch viele Mängel auf und ist zu teuer. Die meisten sind Proof-of-Concept-Geräte für Early Adopters, nicht für den Massenmarkt geeignet. Doch klar ist: Flexible Displays entwickeln sich in eine Richtung, die zu erstaunlichen Durchbrüchen in der Tech-Branche führen könnte.